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1、第1章 半导体二极管和三极管,1 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,2、本征半导体的结构,由

2、于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,二、杂质半导体 1. N型半导体,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质

3、越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,2. P型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN 结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而

4、阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,PN 结的单向导电性,必要吗？,空间电荷区也称耗尽层,四、PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化

5、，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,2 半导体二极管,2 半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电压电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,六、其它二极管,一、二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,一、二极管的组成,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大

6、，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,二、二极管的伏安特性及电压电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性：,UT =kT/q 称为温度的电压当量,从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,三、二极管的等效电路,理想 二极管,近似分析中最常用,UD:二极管的导通压降(硅管 0.7V；锗管 0.2V )截止时IS0,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等

7、效电路！,1. 将伏安特性折线化,100V？1V？I=?,理想模型,恒压降模型,折线模型,2. 微变等效电路：小信号模型,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,四、 二极管的主要参数,1 、最大整流电流IF：,二极管长期连续工 作时，允许通过二 二极管的最大整流 电流的平均值。,2 、 反向击穿电压UBR： 通常规定最大反向工作电压UR为击穿电压的一半,二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。,3 、 反向电流IR：即IS,在室温下，

8、在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,4 、 最高工作频率fM：指二极管正常工作时的 上限频率值,二极管电路分析举例 【例1-1】电路如图所示，假设图中的二极管是理想的， 试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电压。,5V,解：二极管D导通，输出电压uo1=3V 二极管D截止，输出电压Uo2=5V,【例1-2】电路如图所示，二极管的正向导通压降为0.7V，试分析电路的工作原理，并画出 UO的 波形。（设UREF=2V）,UREF,4V,ui,t,2.7V,0,2.7V,uo,t,4V,ui,t,0.7V,0,0.7V,uo,t,【例1

9、-3】电路如图P1.6所示，二极管导通电压UD0.7V，常温下UT26mV，电容C对交流信号可视为短路；ui为正弦波，有效值为10mV。试问二极管中流过的交流电流有效值为多少？,解：二极管的直流电流 ID（VUD）/R2.6mA 其动态电阻 rdUT/ID10 故动态电流有效值 IdUi/rd1mA,五、稳压二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2. 主要参数,(1) 稳定电压UZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压， 即稳压

10、管的反向击穿电压。,正向视同一般二极管,符号,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,(2) 最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。,(3) 最大稳定工作电流IZmax,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,(4) 动态电阻rZ ,rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,限流电阻,（5）最大功耗PZM IZmax UZ,限流电阻,稳压二极管等效电路,稳压管稳压电路,电阻R为限流电阻。当电网电压波动或者负载电阻变化 时，都能够引起输出电压变化。但稳压二

11、极管处于稳压状态时，输出电压基本稳定,限流电阻,【例1-4】现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问： （1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？ （2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？,解：（1）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和14V等四种稳压值。 （2）两只稳压管并联时可得0.7V和6V等两种稳压值。,【例1-5】已知稳压管的稳定电压UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA， 最大功耗PZM150mW。试求所示电路中电阻R的取值范围。,解：稳压管的最大稳定电流 IZmaxPZM/UZ25mA 电阻R的电流

12、为IZmaxIZmin 所以其取值范围为:,六.其它二极管,1.发光二极管(LED) (Light Emitting Diode),发光二极管的外型 符号,当用砷化镓、磷化镓等制成二极管时，若有一定电流从阳极流向阴极，由于电子与空穴复合而发光，有红、绿、黄、橙、蓝等色。,LED的工作电流一般为几十几mA，红色的正向电压在1.61.8V之间，绿色的约为2V。LED可单管应用或组成显示屏，因其功耗低、寿命长、可靠性高，广泛应用于各种显示电路中（使用寿命可达10万小时 ）。LED不含汞，环保性能更好。LED急需面对的问题：成本、技术、透光效率,2.光电二极管外形和符号,外形,符号,光电二极管的伏安特

13、性,光电二极管的伏安特性,工作在第一象限的原理电路,工作在第三象限的原理电路,工作在第四象限的原理电路,VCC,【例1-6】已知发光二极管的导通电压UD=1.6V，正向电流为520mA,VCC=6.6V，计算R的取值范围。,解：,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,1.3 晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC

14、。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配： IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流 也称集电极基极反向饱和电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,1. 输入特性,2. 输出特性,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下

15、?,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE 开启电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,集电结和发射结都反偏

16、,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,共基极直流电流放大系数,共基极交流电流放大系数,特征频率,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1. 电流放大倍数和 ,例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,2.集电极-基极反向饱和电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,3. 集电极-发射极反向饱和电流ICEO （也称穿透电流）,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,I